シリコンカーバイド繊維は、耐高温酸化性、高硬度、高強度、高熱安定性、耐腐食性、低密度といった利点を有し、航空宇宙分野における耐高温性、補強性、ステルス性といった最も理想的な材料の一つです。また、中性子吸収断面積が小さいため、航空宇宙、原子力などの分野で幅広い応用が期待されています。
高い推力重量比は、先進的な航空宇宙エンジンが常に追求している目標です。エンジンの推力重量比が増加するにつれて、タービン入口温度は上昇し続け、既存の高温合金材料システムでは先進的な航空宇宙エンジンの要件を満たすことが困難になっています。例えば、推力重量比10の既存のエンジンのタービン入口温度は1500℃に達しており、推力重量比12～15のエンジンの平均タービン入口温度は1800℃を超え、これは高温合金や金属間化合物の使用温度をはるかに超えています。現在、耐熱性が最も優れたニッケル基高温合金材料の使用温度は約1100℃にしか達しません。 SiCf/SiC の動作温度は 1650°C まで上昇できるため、航空宇宙エンジンの最も理想的なホットエンド構造部品材料と考えられています。
欧米などの航空先進国では、M53-2、M88、M88-2、F100、F119、EJ200、F414、F110、F136などの航空機エンジン静部品において、SiCf/SiCが実用化・量産されています。軍用・民間航空機エンジン。
我が国は1980年代から炭化ケイ素セラミックマトリックス複合材（CMC-SiC）の応用技術研究を重点開発分野に挙げており、2022年1月には、NPUが国産の新セラミックマトリックス複合材料を用いて製造した航空宇宙エンジン一体型タービンディスクが、初の飛行試験検証に成功しました。これは、セラミックマトリックス複合材ローターアセンブリプラットフォームの国内初の空中飛行試験でもあり、我が国の航空エンジンの基幹技術における新たな重要な突破口となりました。しかしながら、これまでのところ、我が国におけるCMC-SiCの応用範囲と累積評価時間は非常に限られており、海外の工学応用研究との間には大きな隔たりがあります。
現代の無線技術とレーダー探知システムの急速な発展に伴い、ステルス技術は兵器システムの生存性と侵入能力、特に深部攻撃能力を向上させる効果的な手段として、ハイテク兵器の保有を競う軍事大国の間で注目を集めています。ステルス材料技術の活用は、現在、レーダーステルスを実現する最も効果的かつ実現可能な手段です。特殊環境下で使用されるステルス材料は、探知性などの基本条件の低減に加え、優れた熱安定性と耐腐食性も求められます。例えば、高速飛行するステルス戦闘機のエンジン尾部ノズル、翼端などの部品は、高温酸化や高温・低温の繰り返し衝撃という試練にさらされます。SiCf/SiCは、優れた機械的特性、耐酸化性、そして長い高温耐用年数を備えているだけでなく、優れた電波吸収特性も備えているため、超音速航空機の表面、エンジン尾部ノズル、巡航ミサイルの先端部など、兵器・装備の高温部品の要件を満たしています。ステルス性能の要件を満たし、幅広い応用の可能性を秘めています。
- 3. 中性子吸収断面積が小さく、原子炉分野で大きな威力を発揮
原子炉の安全性問題がますます重視されるにつれて、現在商用の水型原子炉原子力発電所で使用されているほぼすべてのジルコニウム合金燃焼要素が見直され、炭化ケイ素を被覆管またはマトリックス材料として使用する新しい燃料要素が新たな研究ホットスポットになっています。燃料要素は原子炉の中核部品であり、その性能指標は原子炉の安全性と経済性に直接影響を及ぼします。SiCfは、高温強度、高硬度、優れた耐摩耗性、優れた耐熱衝撃性、高い熱伝導性、強力な耐酸化性、耐化学腐食性などの優れた特性を備えており、中性子吸収断面積が小さく、固有の活性と崩壊熱が低いため、原子炉の分野に適しており、軽水炉、溶融塩炉、ガス冷却高速炉での応用の見通しが良好です。
先進技術は常に日本と米国が掌握してきた
SiC繊維は誕生以来40年にわたり急速に発展してきました。繊維の組成と構造の違いにより、第一世代、第二世代、第三世代の繊維に分けられます。第一世代は酸素含有量の高い炭素含有SiC繊維、第二世代は酸素含有量が低く炭素含有量の高いSiC繊維、第三世代はほぼ化学量論比のSiC繊維です。SiC繊維の開発過程において、日本や米国などの国々は常に競争の先頭に立ってきました。
第一世代のSiC繊維のブレークスルー
我が国は1980年代に、シリコンカーバイド繊維が新素材として航空宇宙分野で潜在的な応用価値を持っていることを認識し、早期に計画を立て、国防科学技術大学の関連科学研究者を専門に組織してSiC繊維研究グループを設立しました。
2000年以降、我が国は第一世代のSiC繊維の応用研究段階に入り、独自に開発したSiC繊維の骨の折れる研究と産業開発を始めました。
2005年、江蘇省と蘇州市政府の推進により、耐高温連続炭化ケイ素繊維の産業開発が実施され、強力な科学研究チームが結成されました。懸命な努力と自主的な研究開発を経て、重要なコア設備を自社開発し、国内で初めて炭化ケイ素繊維の連続生産を実現した企業となり、この種の軍事機密材料に対する日本、米国などの長年の技術封鎖と製品独占を打ち破りました。
第二世代の連続SiC繊維に追いつく
過去10年間、航空宇宙エンジンの発展により、耐高温性を有する連続SiC繊維に対する明確な需要が提示され、それが第2世代および第3世代のSiC繊維のエンジニアリング技術の発展を直接促進しました。
第一世代SiC繊維は酸素含有量が高く、空気中での長期使用温度が1050℃を超えないという欠点がありましたが、国防科技大学はこれに対応して第二世代SiC繊維のキーテクノロジー研究に着手しました。ポリカルボシランの反応性を維持しながら、ポリカルボシランの組成と構造を最適化することで、良好な紡糸性を持つ高軟化点ポリカルボシランの合成と無酸素非溶融処理技術において画期的な進歩を遂げ、焼成前と最終焼成プロセスを最適化しました。独立した知的財産権を持つ第二世代連続SiC繊維エンジニアリング製造技術を習得しました。
「第12次5カ年計画」期間中、航空宇宙産業、航空宇宙科学技術グループなどのユーザー部門に合計600キログラム以上の第二世代連続SiC繊維と織物が提供され、先進的な航空宇宙エンジンなどに使われる第二世代連続SiC繊維の切実な需要が最初に満たされました。
現在までに、連続SiC繊維は製品の種類、性能、生産量の面で大きな進歩を遂げ、連続SiC繊維の製造技術、加工設備、製品に対する禁輸措置を課していた一連の外国の封鎖措置を最初に突破しました。
剣は第三世代のSiC繊維を指している
国産SiC繊維の高温性能をさらに向上させるため、国防科技大学は第三世代SiC繊維の開発に着手した。国防科技大学が開発した第三世代繊維には、主にKD-SとKD-SAがある。前者は主に先進原子力分野で使用され、後者は主に高温構造材料に使用されている。KD-S繊維は、水素化焼成法を用いて炭素を除去し、ほぼ化学量論組成を有し、引張強度は2.5GPa以上である。KD-SA繊維は、チラノSA繊維と同様の製造ルートを採用している。前駆体ポリアルミノカルボシランは、低分子量ポリカルボシランとアルミニウムアセチルアセトネートまたは塩化アルミニウムから製造される。KD-SA繊維は大きな進歩を遂げ、強度が強く、2.2GPaを超え、引張弾性率は380GPaに達する。また、高温ステルス構造材料の需要に応えるため、国防科学技術大学では吸収繊維の研究も行っている。
研究開発と産業化の力が徐々に成長している
近年、多くのユニットがシリコンカーバイド繊維の研究・生産に着手し、連続SiC繊維のパイロット研究設備プラットフォームを構築し、電子線照射架橋技術を用いた第二世代SiC繊維を開発しました。水素還元法を用いて、日本のハイニカロンS繊維と同様の製造ルートで、ほぼ化学量論比の繊維製造を研究し、連続SiC繊維のサンプルを製造しました。同時に、ティラノSAと同様の製造ルートでSi-Al-C繊維も製造しました。予備調査。
連続SiC繊維の社会的・経済的メリットに後押しされ、企業も連続SiC繊維の開発に参入し、連続SiC繊維製品の開発に着手しました。現在、第一世代の連続SiC繊維はトンレベルでの生産を達成しています。
国防、軍事力、兵器技術の近代化が加速するにつれ、高性能繊維は様々な分野で急速に発展しました。高性能繊維の代表として、炭化ケイ素繊維は優れた耐高温性、耐腐食性、電波吸収性を有し、広く注目を集めています。
数十年にわたり技術の壁に阻まれてきましたが、幸いなことに、私たちは追いつくことを決して諦めていません。現在、我が国の炭化ケイ素繊維製造技術レベルは、一部の分野では国際先進レベルに近づいていますが、全体としては、特に工業化生産の実現において、我が国と諸外国の間には依然として一定の隔たりがあります。炭化ケイ素繊維は国家戦略の新たな備蓄材料であり、国は導入と投資を拡大しています。近い将来、我が国は徐々に炭化ケイ素繊維のコア技術を習得し、炭化ケイ素繊維の工業生産を実現すると信じています。
